新型船舶动力装置基本情况和发展趋势

新型船舶动力装置基本情况和发展趋势船舶动力装置是船舶的核心设备，船舶动力装置只有正常运行，才能够为船舶的正常运行以及船员的日常生活提供保障。船舶动力装置由主动力装置、辅助动力装置和辅机及其设备共同组成,三大部分的相互协调共同为船舶提供源源不断的动力。在船舶动力装置中,主动力装置是提供推进动力的装置,其主要有蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机、电动机和混合动力机几种主要类型，但新型船舶动力装置包括燃气轮机推进，喷水推进，吊舱推进，表面浆推进，超导磁推进，AIP系统等。一、柴油机动力装置柴油机动力装置是以柴油为燃料的内燃机,其优点在于启动速度快、运行状态可靠和功率大等。柴油机动力装置是目前应用最为普遍的船舶动力装置,因此其技术成熟度也相对更高。柴油机动力装置在上世纪60年代开始全面取代了蒸汽轮机,成为最主流的船舶动力装置。柴油机动力装置分为四冲程柴油机和两冲程柴油机,其中二冲程柴油机的特点是转速相对较低，可以直接驱动螺旋机进行工作,主要应用于大中型远洋运输船舶上。而四冲程柴油机转速较高，一般主要应用于小型运输船、客船、军舰和豪华游艇上。二、燃气轮机动力装置燃气轮机动力装置是以油气作为燃料的动力装置，燃气轮机动力装置其突出的特点在于装置体积较少、重量轻、加速性能强,且燃气轮机动力装置运行过程中所产生的污染物远远少于柴油机动力装置。但是,燃气轮机动力装置也存在着较多的缺点和不足，如燃气轮机的燃料一一蒸馏油价格非常昂贵、燃气轮机油耗较高、经济性不高等,因此很难在船舶当中得到普及。目前,只有少部分的高速客船和军用舰艇上配备了燃气轮机动力装置。三、电力推进装置顾名思义是以电动机做功来推动船舶运行的动力装置，当前在船舶动力装置中被广泛使用的推进装置主要由电动机、原动机、变频器还有就是推进变压器以及控制调节器等构成。对于操纵性能要求不是特别高的船舰来说，经常使用的轴桨推进装置如可调桨以及定距桨等，对于操作性能要求相对高一点的船舶来说，通常采用的全回转推进器。电力推进装置工艺较柴油机动力装置要更为复杂,但具有更好的经济性以及操纵空间，较为适合于多工况特种船舶。目前多数的电力推进装置还需要配备柴油机或者燃气轮机产生电力能源,为电动机提供能源。其主要优势在于:(1)船上大型机械设备布置更灵活、有效空间更多、费用降低(2)电动机由电网供电，增加了系统的可靠性，提高了生命力(3)减少了维护的工作量;(4)可以采用中高速不逆转原动机，以减少设备的体积和重量(5)可以采用低速电动机直接与推进轴连接，省去机械的减速齿轮(6)操纵灵活，机动性能好(7)易于获得理想的拖动特性(8)减小螺旋桨等机械振动和噪声、环境更好船舶电力系统和船舶电力推进系统一体化供电的船舶综合电力系统是未来发展的新趋势，该系统将船舶的电力系统和推进系统有机的组合在一起，把动力机械能源转换为电力，提供给推进设备和船上的其他设备使用，使得船舶日用供电和推进供电一体化，实现电力的综合利用和统一管理。并且伴随着船舶事业不断推进发展，这样的技能必定会得到更为广泛的应用。在电推进动力系统中吊舱式电力推进系统是当今备受关注和重视的推进方式。吊舱式电力推进是一种全方位转动的装置，电动机直接驱动螺旋桨，具有良好的操作性能和很高的推进效率。而且它由于不需要轴承等辅助推力设备，能够大大地减小整个动力机的空间，减轻了自身重量，降低了噪声和振动的大小。吊舱式推进装置是一种潜水式方位推进器,吊舱的外形为流线体，流线形的吊舱外壳可以抑制船尾波系。在高速航行时，船尾波系通常占了总阻力的很大比例。吊舱内部是一台同步电机，电机转子轴的端部直接连接螺旋桨。吊舱能够360°回转,螺旋桨轴线可以指向任意方向，与传统的舵系统相比,船舶的假速航行操纵性大大提高。若在高速航行遭遇磁撞危险全速制车时,向前滑行的距离较短，船舶在冰区航行的破冰能力增强,特别是在倒车时，吊舱推进装置采用内燃电力动力系统,发动机与螺旋桨之间没有直接的传动轴,船舶尾的设计和制造简化了电动机、发电机和电气设备可以布置在最佳位置上,船体尾部的形状也得以进一步优化，使得流经螺旋桨的水流更加均匀，推进效率更高,振动更小采用这一系统的另一个好处是机舱较短,船舶的装载能力可以提高约5%。对传统的双螺旋桨装置与新型的双吊舱装置的模型试验表明，吊舱装置可以节省20%‐25%的功率。功率的节省来源于船体和吊舱形状的优化、轴系和舵的取消以及转向操纵性的提高。四、超导磁流体推进装置是根据电磁原理设计的。在潜艇上安装电磁铁，通电后，海水中就会有磁力线，同时产生方向与磁力垂直的电流，在磁场和电流相互作用下，由于潜艇与海水之间产生大小相等方向相反的反作用力，潜艇将获得向前运动的推力，推力的大小与磁场强度和电流大小的乘积成正比。磁流体推进技术已在一些国家获得应用，但它的磁场还不能满足潜艇的要求。五、AIP系统的一种形式是允许柴电潜艇继续在水下继续运转其柴油发电机，然后利用电力进行推进，水下滞留时间可以延长到2周。AIP系统是一个闭环系统，通过气态氢和液态氧之间的连续化学反应来产生电能此外，AIP系统非常安静，不会产生大量的热量，使潜艇不易被发现。现时燃料电池是一种发展较为成熟的AIP系统，由固态聚合物燃烧装置、液氧系统、氢系统、热交换器、海水冷却器、淡水冷却泵、冷却水箱、催化剂罐、造水箱等装置和燃料电池组件的电器设备构成,特点是装置中无转动机械部件，因而没有噪音辐射；无机械能和电能辐射，电能转换效率高达70%；能量转换温度低，工作环境较安全。其中包括这几种AIP系统：闭式循环柴油机（CCD/AIP）除了进、排气系统与普通柴油机不同外，其工作原理与目前常规动力潜艇所使用的普通柴油机是一样的。斯特林发动机（SE/AIP）系统与闭式循环柴油机系统大致相同，最主要的不同就是发动机。SE/AIP系统使用的是热气机，而CCD/AIP系统使用的是闭式循环柴油机。闭式循环汽轮机系统（MESMA/IP）系统主要由4个分系统构成：液氧储存罐、燃料储存罐及一、二回路系统。核电混合推进系（SSN/AIP）的研制工作也在不断推进和深入，加拿大在此类AIP系统的研究方面走在了世界各国的前面，其研制的AMPS型核电混合推进系统即将迈入实用阶段，这种只需经过简单改装就可使常规潜艇变成小型核潜艇的动力系统日益引起各国海军的注意。但必须指出的是，目前无论哪种AIP系统，其输出功率均不能满足常规潜艇水下最大航速航行的需求六、表面桨推进系统是一种部分桨叶暴露于水面上的驱动装置，最初表面桨推进系统仅设计用于浅水航行，经过一系列的发展与研究，该系统应用的重心逐渐转向高速船舶其在高速航行和浅水航行船舶中得到了广泛的应用，现已成为高性能高速船舶、军用船和游艇最适宜的推进方式之一。表面桨系统与常规螺旋桨的区别：表面桨通常应用于高速船，当船舶高速行时(大于40节)，常规螺旋桨会受到腐蚀性气穴和桨轴支架及桨毂阻力的影响造成严重缺陷。而表面桨推进系统最大的优势在于其能避免螺旋桨空泡现象的影响、减少附体阻力、推进效率高、船桨匹配适应性强和浅水适应性强等。与传统螺旋桨所有部件均浸没在水中相比，应用表面桨推进系统的船舶在航行时其水线正好穿过其桨毂的螺旋桨，即其桨轴及其支架都在水面上，这样在船舶运行时，桨轴和支架不再产生附加阻力，并且改善了流经螺旋桨的水流，从而大大提高了螺旋桨的工作效率;同时叶尖端里船舶最大吃水或船壳不再有限制所以可以设计使用更大尺寸的螺旋桨;另外，表面桨系统还可减少螺旋桨叶面空蚀的影响。不过，由于在工作时表面桨推进系统船舶的桨叶有一部分会露出水面，其表面与空气接触。表面桨系统特点1.避免空泡现象的影响：螺旋桨在水中运行时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，由水中逸出蒸汽及其他气体而形成气泡，并称空泡。一般认为，压力的临界值即为该温度下水的汽化压力Pd，故当桨叶表面某处的压力降至该温度下水的汽化压力Pd时，水即汽化而形成空泡。常规全浸没螺旋桨的空泡影响是螺旋桨表面剥蚀、机械振动、噪音以及性能恶化等的主要原由。而表面桨推进系统采用的是充气桨，它以充气现象来代替空泡现象。发生充气现象的流体压力要比发生空泡现象的流体压力高很多，充气总是优于空泡，从而有效的避免产生空泡。随着桨叶的每次入水，空气泡会被带进那个即将要发生空化的区域，这时所吸进的空气泡能完全遏止将要发生的空泡溃灭的现象。与空泡现象不同，充气泡不会发生溃灭，此时充气桨叶是表面饶流状态与超空泡桨叶的饶流状态有相似之处，因此使用表面桨推进系统可避免产生振动、表面剥蚀以及水下噪音等现象，对螺旋桨及邻近船体不会造成损坏。2．减少附体阻力：常规螺旋桨船舶航行时其浸没在水中的轴，支架和桨毂等附连构件都会产生附体阻力，而且当浸没轴等倾斜于水面时不仅会产生形状阻力和摩擦阻力，还会由旋转轴的马格努斯效应产生相关的阻力。随着高速船滑行速度的增加，这些附体阻力在某些情况下甚至可以超过裸船体阻力。浸没轴在水中旋转摩擦造成的功率损失也很惊人，所以常规处理方式是用非旋转罩壳来包裹整个的浸没轴，这样就相对增大了轴的直径，从而增加阻力影响推进效率。表面桨推进系统的船舶在航行时水线只是穿过其桨毂的螺旋桨，桨叶和尾鳍或舵可以接触到水，其桨轴及其支架都在水面上，这样在船舶运行时，桨轴和支架不再产生附体阻力，所以能消除大量的附体阻力，并且改善了流经螺旋桨的水流，从而大大提高了螺旋桨的推进效率。与传统的全浸没螺旋桨相比，表面桨系统可以削减50％的水下附体阻力。3．推进效率：表面桨推进系统是当今世界上效率虽高的推进系统之一，也是所有高速船舶首先的推进方式。不表面桨工作于水表面附近，部分桨叶露出水面，从而可以减小了水下附体的尺度，大大地降低艇在高速时的阻力。当船舶航行时，只有部分桨叶和尾鳍触水，提供高速推力、良好的加速性和效率。由于工作在水面附近，部分桨叶露出水面以减小附体的尺度，可有效地避免产生空泡，但会发生充气现象，而发生充气现象的流体压力要比发生空泡现象的流体压力要比发生空泡现象的流体压力高很多，因此可以达到更高的航速，最高航速可达到70kn。4．船桨匹配适应性强：表面桨推进系统船舶航行时可以通过调节其桨面浸没状态来达到相当于改变全浸没螺旋桨直径大小的相同效果，也类似于可调桨调节桨距的效果。这样就允许船舶在选择螺旋桨时存在较大的公差，换句话说同样型号的表面桨系统可适应多种船舶的航行工况，再加上使用转舵油缸直接操作螺旋桨轴系，改变螺旋桨推力与船体运动方向之间夹角，产生侧向推力，替代船舵操作船舶航行方向，能大大提高船舶的机动性。5．浅水域适应性强：表面桨推进系统拥有特殊工作状态，其航行时螺旋桨吃水最低可到桨叶直径的一半，能使表面桨推进系统的船舶能适应较浅吃水的水域。因此，在浅水域区可以看到多种应用表面桨推进系统的船舶航行表面桨系统的组成与应用目前表面桨推进系统多应用于高速运行或航行吃水受到限制的艇，航速在50kn以上的公务船、游艇和赛艇之类。表面桨推进系统，与现有表面桨推进系统相比，提高了推进系统输出扭矩，强化了推进器的部件，提高了液压操控系统和平衡系统，可靠性高，结构紧凑，而且维修简便。该系统主要由以下部件组成(图4)：纵倾油缸、操舵油缸、轴管、表面桨叶、轴系、万向联轴节、艉轴连接法兰、导流板、液压单元、输入轴，其特征在于：纵倾油缸、操舵油缸分别与液压单元相连，纵倾油缸、操舵油缸分别与轴管相连，轴系安装在轴管内，轴系的一端与表面桨固定连接，船上的齿轮箱与艉轴连接法兰相连，艉轴连接法兰与输入轴相连，输入轴与轴系的另一端相连，轴系的另一端上依次安装有关节球和万向艉轴连接法兰与输入轴相连，输入轴与轴系的另一端相连，轴系的另一端上依次安装有关节球和万向联轴节，且万向联轴节与关节球以球心为基点任意角度旋转，导流板安装在轴管底部。表面桨的发展:古希腊数学家阿基米德最早提出了螺旋的概念,到15世纪达芬奇绘出了螺旋桨的草图，并猜想螺旋桨将应用于飞行器。螺旋桨第一次应用于船舶推进是在18世纪，1827年捷克和奥地利发明家约瑟夫发明了用锥形底座来固定多个叶片的螺旋桨，其后瑞典军官约翰·爱立信和英国工程师弗兰西斯·